Samoreprodukujúce sa tlačiarne vytvárajúce objekty z počítačových výkresov? Nie sci-fi, ale realita, ktorá prinesie revolúciu vo výrobe
Hoci si to možno nemyslíte, rok 1986 bol kľúčovým rokom. Deregulácia londýnskej burzy zmenila spôsob, akým sme uvažovali o peniazoch; Černobyľ zmenil spôsob, akým sme uvažovali o jadrovej energii; Top Gun zmenil spôsob, akým sme premýšľali o filmových soundtrackoch, a pre tých, ktorí dávajú pozor, americký gentleman menom Chuck Hull zmenil spôsob, akým sme uvažovali o výrobe.
V tom roku 11. marca (asi jeden milión dní od tradičného založenia Ríma) bol Hullovi vydaný americký patent číslo 4, 575, 330: „Zariadenie na výrobu trojrozmerných predmetov stereolitografiou“. A tak sa zrodila 3D tlačiareň.
„Chuck Hull bol človek, ktorý to všetko začal,“hovorí Phil Kilburn, obchodný manažér spoločnosti 3T RPD v oblasti 3D tlače. „V tom čase pracoval pre Xerox a prišiel s nápadom položiť atramenty na seba, aby sa vytvoril pevný trojrozmerný model. Ujal sa tohto procesu a založil prvú spoločnosť na 3D tlač, 3D Systems.‘
Na začiatku
Pôvodná 3D tlačiareň spoločnosti Hull použila ultrafialové svetlo na nakreslenie dvojrozmerného tvaru na povrch nádoby s tekutým fotopolymérom, látkou, ktorá sa po vystavení ultrafialovým lúčom zmení na tuhú. Tento proces sa opakuje znova a znova a vytvára 2D vrstvy na vytvorenie 3D objektu. Zatiaľ čo procesy a materiály používané v 3D tlačiarňach odvtedy prešli dlhú cestu, základy zostávajú rovnaké.
„Stroje, ktoré teraz používame, využívajú lasery,“hovorí IT manažér 3T RPD Martyn Harris. „Tento proces je mimoriadne šikovný, ale vo svojej základnej forme je veľmi jednoduchý: vezmite trochu prášku a roztopte ho. Takže v našich strojoch máte lôžko z práškového materiálu, napríklad nylonu, ktorý sa v komore tlačiarne zahrieva tesne pod jeho bod topenia. Lasery potom obkresľujú dvojrozmerné prierezy komponentu, ktorý chcete vyrobiť, cez prášok, pričom zakaždým roztavia 2D vrstvu. Akonáhle je vrstva obkreslená, lôžko tlačiarne klesne povedzme o 120 mikrónov [0,12 mm], potom rameno pre nanášanie náteru nanesie na vrch ďalšiu vrstvu práškového materiálu a proces začína znova, pričom lasery sledujú z ďalšej vrstvy.'
Tento proces je založený na metóde „spekania“, pri ktorej pri vysokých teplotách atómy v časticiach prášku do seba difundujú a stávajú sa pevným kusom. Nestačí však len namieriť laser na nejaký plast a očakávať, že sa objaví užitočný predmet.
„Čo urobíte ako prvé, je vytvoriť 3D CAD [počítačom podporovaný dizajn] model toho, čo chcete vytvoriť,“hovorí Harris.„Potom pomocou softvéru na mieru zabalíte modely do virtuálneho 3D priestoru, ktorý odráža veľkosť lôžka tlačiarne. Odtiaľ uložíte všetky svoje súbory v STL – stereolitografiu alebo triangulované súbory – a keď budete mať súbory pripravené, v podstate ich všetky nakrájate na akúkoľvek hrúbku, ktorú vytvárate. Všetky tieto rozdelené súbory sa odošlú do počítača, ktorý ovláda tlačiareň, a potom stačí stlačiť tlačidlo Go a tlačiareň to vytlačí. Je iróniou, že veľa častí týchto tlačiarní je vytlačených na iných tlačiarňach tu, takže sa začali opakovať.‘
Harris bol zapojený do 3T RPD posledných 13 rokov a najnovšie založil Race Ware, spoločnosť na výrobu bicyklových komponentov, ktorá vyrába svoje produkty – od plastových držiakov Garmin až po titánové zachytávače reťaze – pomocou tlačiarní 3T RPD.
„Dostal som sa k tomu, pretože používam SRM a mám pár tyčiniek Easton TT,“hovorí Harris. „Keď som šiel hľadať držiak na lištu, našiel som len nejakú strašnú súpravu adaptéra, tak som si povedal, že si vyrobím vlastný. Usúdil som, že ak si ho vytvorím pre seba, uvidím, či ho bude chcieť aj niekto iný, a tak som išiel na fórum TT a spýtal sa. Tento chlapík, ktorý sa volal Jason Swann, povedal, že chce Garmin, a on bol CAD dizajnér, tak mi dal dizajn. Trvalo nám iba tri alebo štyri mesiace, kým sme sa dostali od prvej iterácie k verzii, ktorú teraz predávame.‘
Ako uvádza Harris, jedným z kľúčových pokrokov, ktorý prichádza s 3D výrobou, je rýchlosť a jednoduchosť, s akou je možné produkty vyrábať a zdokonaľovať. Celkový proces od rysovacej dosky až po hotový výrobok je výnimočne rýchly v porovnaní s tradičnejšími metódami – hoci doba výstavby môže trvať od niekoľkých hodín až po približne týždeň, v závislosti od zložitosti a počtu tlačených produktov.
„Na rozdiel od iných výrobných procesov, ako je vstrekovanie, s 3D tlačou neexistujú žiadne nástroje,“hovorí Harris. „Všetko, čo musím urobiť, je vytvoriť model CAD, urobiť niekoľko testovacích sérií, vykonať niekoľko úprav a potom, keď som s ním spokojný, začať tlačiť. Ľuďom sa to len ťažko orientuje. Pýtajú sa, aká je dodacia lehota, a ja môžem odpovedať: „Dva alebo tri týždne“, zatiaľ čo oni sú zvyknutí, že niekto povie: „Bude to hotové do štvrtej štvrtiny budúceho roka.“
Rýchle prototypovanie
Samozrejme, 3T RPD a Race Ware nie sú sami; v súčasnosti sú ďalší výrobcovia a priemyselné odvetvia, ktoré využívajú výhody 3D tlače a snažia sa posúvať hranice ešte ďalej. Audi použilo 3D tlačových robotov na vytvorenie koncepčného auta RSQ, ktoré sa objavilo vo filme Ja, robot; Tímy Formuly 1, ako je Sauber, používajú na svojich autách 3D tlačené brzdové kanály a najnovšie holandská architektonická firma Dus Architects oznámila plány na 3D tlač celého domu. Takže, ak je toto všetko možné (dom bude údajne postavený po častiach na šesťmetrovej tlačiarni s názvom „KarmerMaker“), aké to môže mať dôsledky pre samotné bicykle? Jeden muž, ktorý si myslí, že vie, je vedúci výskumu a vývoja v Ridley bikes, Dirk Van den Berk.
„Posledné dva alebo tri roky sme tlačili malé prototypové komponenty, napríklad brzdu pre vidlicu Noah Fast,“hovorí Van den Berk. „Ale tento rok [2013] sme prvýkrát vytlačili celý rám ako súčasť vývoja našej novej verzie bicykla Dean TT. Nie je dostatočne pevný na to, aby sa s ním jazdilo alebo ho testovalo záťažou, ale je skvelé na aero testovanie vo veternom tuneli a testovanie montáže, kde ho môžeme zostaviť zo skutočných komponentov, aby sme videli, že všetko sedí.‘
Tak ako v prípade Race Ware, tento konkrétny typ 3D tlače – známy ako rýchle prototypovanie – umožňuje Ridleymu vykonávať zmeny rýchlo a lacno. „Dekan začal s tvarmi rúr na testovanie v tuneli. Potom sme postavili kompletné rámy. Testujeme ich, hodnotíme, potom sa vraciame späť a robíme malé zmeny. To je skvelá vec – malé zmeny sa dajú robiť veľmi rýchlo. Stačí stlačiť tlačidlo a počkať, kým tlačiareň prestane tlačiť.
‘Predtým ste na vytvorenie rámu používali počítače a softvér až do bodu, keď dáte zelenú a výrobcovia rámov začnú vyrezávať formy. Aj keď 3D tlač nie je lacná technológia, je určite lacnejšia ako otvoriť formu, vidieť niečo zlé na ráme a musieť začať odznova, “dodáva Van de Berk.
Ak teda spoločnosti ako 3T RPD dokážu tlačiť na kov a výrobcovia ako Ridley už tlačia celé prototypy rámov bicyklov, prečo by sme ich nemohli spojiť a začať tlačiť bicykle, na ktoré sa dá jazdiť?
„Pre kompletný rám je to dosť ťažké kvôli spôsobu, akým je rám zaťažený počas jazdy,“vysvetľuje Van den Berk. „Je to zložitá štruktúra, ktorá musí byť schopná vysporiadať sa so všetkými druhmi stresu a napätia. Pri karbóne spôsob, akým vytvárate vrstvy, robí rám pevným alebo tuhým v určitom smere. Pri tlači je oveľa ťažšie ovládať vlastnosti
materiál a to je to, čo sťažuje výrobu rámu. Veci sa však určite uberajú týmto smerom.‘
Úspory z rozsahu
Za kanálom v Bristole je jedna spoločnosť, pre ktorú je realita 3D tlačených rámov stále bližšie – aspoň čiastočne.
Charge Bikes spolupracuje s EADS (European Aeronautic Defense and Space Company) na vytvorení prvých produkčne vytlačených výpadkov. Výpadky sú vyrobené z titánu Ti6Al4V a pred odoslaním na Taiwan sú vytlačené v závode EADS, aby sa privarili do mraziacich krosových bicyklov Charge. Avšak zatiaľ čo testovanie EN a vyčerpávajúcich osem mesiacov pod Charge profesionálnym jazdcom Chrisom Metcalfem ukázali, že tí, ktorí vypadli, sú rovnako úspešní ako ich CNC bratranci, oni a proces, ktorého sú súčasťou, nie sú bez obmedzení.
Neil Cousins z Charge hovorí: „V súčasnosti vytlačené výpadky zvyšujú náklady na štandardný mraziaci rám o 20 %, čiastočne preto, že každá zostava dokáže vyprodukovať maximálne 50 výpadkov kvôli veľkosti tlačiarne. Tiež nás obmedzuje počet tlačiarní – v súčasnosti ich majú iba tri ďalšie spoločnosti v Spojenom kráľovstve – a odborné znalosti a zručnosti potrebné na ich používanie.’
Cousins poukazuje na to, že nie je dôvod, prečo by v budúcnosti nemohli náklady na výrobu takýchto dielov klesnúť, keďže veľkosti a počty strojov sa zvyšujú, ale zatiaľ je realistický, pokiaľ ide o to, kam táto technológia smeruje: „Sme vždy prichádzali s plánmi na diely a práve sme si tu najali nového priemyselného dizajnéra. Jedna vec, ktorú si treba zapamätať, je, že veľa dielov bude takých drahých, že si musíme dávať pozor, aby sme neurobili niečo, čo bude roky sedieť na pultoch našich distribútorov. To znamená, že veľa veľkých hráčov v cyklistickom priemysle sa s nami a EADS spojilo, aby získali viac informácií o technológii, a z kratšieho hľadiska môžem ľahko vidieť, že 3D tlač sa používa na výrobu komponentov, ako sú náboje, mechanizmy. a kazety.'
Martyn Harris z Race Ware môže byť o krok vpred, keďže spolupracoval s aerodynamickým guru Simonom Smartom na výrobe titánového predstavec. Aj keď to zďaleka nie je hotový, predajný artikel (Harris odhaduje, že ho súčasná verzia stála 5 000 libier, takže presunutie jedného by mohlo byť trochu náročné), slúži len na dôkaz toho, na akej úrovni je v súčasnosti 3D tlač a na čom bude trvať, kým sa dostaneme tam, kam by chceli ísť spoločnosti ako Race Ware a Charge.
„Kľúčom k budúcnosti 3D tlače je pochopenie procesu,“hovorí Phil Kilburn z 3T RPD. „Vyžadovalo si to z našej strany veľa misionárskej práce, aby sme ľudí prinútili veriť v technológiu, vzdelávať ľudí o tom, čo môže a nemôže robiť. Až keď pochopíte proces, môžete ho využiť. Ešte sa to celkom nepodarilo, ale keď sa to stane, 3D tlač exploduje.“
Jemné písmo: Ako vlastne funguje 3D tlač
- Okrem zabudovania do plastu má 3T RPD aj sériu strojov, ktoré tlačia kovové diely, ako napríklad tieto titánové zachytávače reťaze od spoločnosti Race Ware.
- Komora tlačiarne sa zahreje na 70 °C a potom jednovláknový laser, pracujúci pri teplote + 1 000 °C, vykreslí dvojrozmerné vrstvy v lôžku titánového prášku.
- Jasné biele svetlo, ktoré vidíte, nie je bodka lasera, ale skôr intenzívne svetlo, ktoré sa vyžaruje, keď sa práškový titán roztopí.
- Zachytávače reťaze sú zabudované v 20-mikrónových vrstvách – po obkreslení každej vrstvy sa lôžko tlačiarne zníži o 0,02 mm, kým sa rozprestrie čerstvá vrstva prášku.
- Kovové lôžka tlačiarní bývajú oveľa menšie ako plastové lôžka tlačiarní. Ale najnovšie stroje 3T RPD sú už o 50 % vyššie ako ich predchodcovia.
- Veľký problém pri zväčšovaní tlačiarní prichádza so zaostrovacími lasermi. Menšie kovové tlačiarne používajú jeden laser, zatiaľ čo väčšie plastové tlačiarne musia používať dva.
- Tlač troch zachytávačov reťaze do titánu trvá približne štyri hodiny. Do lôžka tlačiarne je možné vtesnať až 50, ale doba zostavenia sa predĺži na približne 12 hodín.
- Keď je stavba dokončená, súčiastky sa dajú odstrániť takmer ako pri získavaní kameňa z hromady piesku. Veľká časť zvyšného prášku sa recykluje a dáva späť do ďalšej zostavy.
